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1、用模糊补偿器改进PID控制器的一种方法?174?机床与液压2006.No.2用模糊补偿器改进PID控制器的一种方法赵志刚,吕恬生,田耕(1.上海交通大学机械工程学院,上海200023;2.全川有色金属公司镍钴研究设计院,甘肃金昌737100)摘要:在造纸厂的浆料流量测控系统中,传统的方法一般不考虑阀门前后的压差,为了增加控制精度,有些厂家对其进行粗略的手动调节,但是这种忽略或者粗略调节的方法都不能准确反映压差对流量的影响,从而影响控制精度.为此,本文设计了一种模糊控制器,用来相对精确地控制压差,使其作为主PID控制器的一个补偿器,从而提高了控制精度,而且改造成本不大.该方法在实际应用中取得了很
2、好的经济效益.关键词:补偿器;控制精度;模糊控制;PID控制器中图分类号:TPI8;TP15文献标识码:A文章编号:10013881(2006)21742TheMethodofUsingFuzzyCompensatortoImprovethePIDControllerZHAOZhigang,LUTiansheng,TIANGeng(1+InstituteofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China;2.InstituteofNiCoDesign,JinchuanNonferrousMetalsCo
3、mpany,JinehangGansu737100,China)Abstract:Intheordinaryway,pressuredifferenceofthevalveisignoredinthemeasureandcontrolsystemofpulpflow.Somectofiesregulatetheflowbyhand,butthismethodcantaccuratelyimplytherelationbetweendifferentialpressureandflow.Akindoffuzzycontrollerwasdesigned,whichisusedasacompens
4、atortomakeupthePIDcontrollerandcontrolroughlypressurediffer-ence.Thecontrollercanimprovecontrolaccuracyandtherebuildingcostislow.Itgainsexcellenteconomiceffectinpracticalapplica?tion.Keywords:Compensator;Controlaccuracy;Fuzzycontroller;P1Dcontroller0前言造纸厂在生产过程中都程度不同地采用了DCS或其它自动控制系统.目前,在不增加成本的情况下达到提高
5、系统控制精度的目的,满足企业的生产质量要求.就成为自动控制行业进一步推广应用,扩大市场的关键所在.在总结多年实践经验基础上,我们找到了一个实用有效的方法手动阀补偿法,达到了不增加成本而提高控制精度的目的.但是这种粗糙的改进方法使用起来不是很方便.本文设计了一种模糊补偿的方法,用来改进现有的控制系统,达到提高控制精度的目的.下面以抄纸车间纸的定量开环控制系统中浆料流量测控为例予以说明.其工艺流程如图1所示.图l浆料流量测控示意图图中的HV,和HV:两个手动阀是作为电动阀门AV发生故障检修时关断该浆路之用,HV手动阀门作为旁通以保证此时在手动控制下浆料通路,使生产照常进行.电磁流量计FTr作为浆量
6、计量采样,采用上海恒河生产的AE210MG型,其采样精度高达0.5以上.如果对纸的定量要求误差为(601)g/m范围,则定量精度为1/60100%=1.67%,所以电磁流量计精度完全满足要求.但电动阀门的控制精度则要低得多,因为纸的定量取决于上浆浓度和浆流量的乘积,且浓度调节也是采用电动阀门控制加水量来实现的.所以从理论上讲上浆流量和浓度的控制精度臆在0.8%以内,即要求电动阀门的控制精度至少应在0.8%以内.而目前广泛使用的深圳光荣电动执行器配不锈钢V形球阀控制精度都在1.3%左右(以DNIO0电动阀门为例由全关到全开约需80个脉冲命令或动作来完成).这主要是因为其电动执行器采用伺服电动机所
7、决定,若脉冲宽度变窄,尽管可以减小每一次开度从而提高控制精度,但有可能由于静摩擦力及惯性太大而能町靠工作.如果采用BTG公司的进口电动阀门,该阀门采用步进式电机,其精度高达0.02%,即阀门由全关到全开需5000次,但其售价高达十余万人民币.上海一厂家生产的步进式电动执行器,精度可达0.6%,价值也在3万元人民币以上.对于这样高的价格,一般纸厂是难以承受的,因此在少增加系统成本(最好不增加成本)的情况下,有效提高自控系统控制精度,具有重要的现实意义.1模糊补偿法工作原理我们以前面所述浆量控制阀门为例来简述模机床与液压2006.No.2?175?糊补偿法的工作原理.正常工作时设计要求将两个手动阀
8、HV.及HV:全部打开,浆量调节全部由电动阀来实现,在这种情况下为分析方便,忽略掉调节阀门前后的微小变化,则浆料流量的每一次调节量正比于阀门开度的变化最.阀门开度变化量愈小,则调节精度愈高,但实际上流量的变化率除了与阀门开度变化率有关外,还与阀门的前后压差有关.根据伯努利方程:+:丝+(1)+(其巾:P为流体密度,P.,P:及,:分别为电动调节阀前后压力和流速,这里所控制的浆料流量与阀门前后压力之间关系如下:Q=cdA()/p.一P2:CA()v/lp.2(2)式中A()为阀门面积函数,c为流量系数,P.为调节阀前后压力差,上式表明在阀门开度一定时,通过阀门的浆流量与其前后压力差的平方根成正比
9、.如果能减小调节阀前后压力差P使得浆量变化率得以减小,则同样达到了提高控制精度的目的.在保证生产正常运行前提下,将两个手动阀门HV.和HV不是按照设计要求呈全开状态,而是用阿个电动阀HV.和HV替代,且开到一定程度,从而减小电动调节阀门前后的压力差P虽然调节阀门的控制精度术变(每次开度仍为1.3%),但被控浆量却由于p.减小而在电动阀开度变化率相同时其变化量减小.例如电动阀门前后压差P.在HV.,HV:全开时为0.1MPa,控制精度为1.3%.关小HV.和HV,使P.:为0.02MPa时,其控制精度由原来浆流量的最小变化率1.3%减小到0.5%以下.从理论上游,再计入浓度调节最大幅度变化率0.
10、5%,其最大幅度之和仪为1.0%,也远小于纸张定量要求的误差(601)g(约为1.67%).所以我们用一个模糊控制器作为补偿器对HV.和HV:进行控制,从而对进行调节,也就是说用模糊控制器通过控制P.:对流量F作补偿性预先控制,再用一个PID控制器对流量F作精确控制.也可以这样说,模糊补偿法实质就是把电动调节阀前后作为维修用的两个手动阀HV和HV:用两个精度低的电动阀替代,用一个模糊控制器通过调节p.:对浆料流量进行粗调,而用一个PID控制器对流量F进行细调,从而在不过多增加成本情况下达到提高控制精度的目的.2控制系统的设计本文所述的控制系统实际卜是一种混合模糊PID控制器.结构上模糊控制器F
11、CS与PID控制器并联,通过它对影响系统精度的P.:进行预先调解,从而使流量Q与节流阀通流面积A()成线性关系.系统中A()与阀芑:位移成线性关系,阀芯位移与控制信号也是线性关系,从而控制信号与流量Q还是比例关系,所以PID控制器所控制的系统是一个单输入单输出的线性系统.控制系统的结构框图如图2所示.一_兰_._蕊坠图2控制系统结构框图在该系统中,PID控制器采用传统的方法设计.PID控制算法的模拟表达式为:(f)=KPe()+K,Je()dt+KD()对式(3)进行拉氏变换:():KeE(s)+K,+Kt,sE()用突斯仃(Tustin)变化法对式(4)化:(3)(4)进行离散():KpE(
12、;)+K,了T.(;)+K,(;)二l一(5)化简得:,(;)(1一一)=KE(z)(1一一)+K,1(1+)E(;)+K.E()(1一z)(6)z反变换:11,(k)一11,(k一1);K(e(k)一e(k一1)+K,(e(k)+e(k一1)+K(k)一(k一1)(7)且口:M(k)一(k一1)=Ke(k)一K,e(k)+2K,T)一(Kee(_1)一吾_1)+Ko)一(k一1)(8)设;群一,霞,:KIT,则式(8)可表示如下:(k)=(k一1)+墨e(k)+足,(e(k)一e(k一1)十(;(k)一(k一1)(9)式(9)就是我们设计PID控制器的最终公式.采用手动法调节压差,操作人员的
13、素质和经验很重要.但是,并不是每一位工人都是流量控制专家,所以,我们总结专家和操作熟练人员的知识和经验,设计成一个模糊控制器,替代手动调节压差,作为主PID控制器的一个补偿器,从而提高流量控制精度.(下转第l44页)-144-机床与液压2006.No.2压力油,阀口关闭,油缸有杆腔所排出的油液经二通阀e的阀口,单向节流阀12中的节流阀及二通阀d的阀口通油箱(此时,油缸的进油路未变),其油路为:进油:泵I一二通阀b的阀口一油缸无杆腔.回油:油缸有杆腔一二通阀门e的阀口一单向节流阀l2中的节流阀一二通阀d的阀口一油箱.油缸实现工进,速度大小由节流阀调节.(3)快退.油缸工进到位后.压下行程开关k,
14、发出信号,使方向控制阀6中的电磁铁2YA通电,lYA断电,所控制的三位四通先导阀切换至右位,二通阀h和d的上腔通压力油,阀口关闭,二通阀a和c的上腔通油箱,阀口开启,泵供应的压力油经二通阀c的阀口,单向节流阀l2中的单向阀和二通阀e的阀口进入油缸的有杆腔.油缸无杆腔中的油液经二通阀a的阀口流回油箱,其油路为:进油:泵l一:二通阀c的阀口一单向节流阀l2中的单向阀一二通阀e的阀口一油缸有杆腔.回油:油缸无杆腔一二通阀a的阀口一油箱.由于在油路上液阻很小,油缸实现快速退回.(4)原位停止.油缸快退倒位后,压下行程开关k.,发出信号,使卸荷阀中的电磁铁5YA通电,所控制的二位二通阀切换到上位,二通阀
15、g的上腔通油箱,阀口开启,泵经该阀的阀口卸荷,其余所有的电磁铁断电,二通阀a,b,12,d,e,f的阀口均处于关闭状态,油缸停留在原位,等待下一次命令.以上动作,各电磁铁的通,断电情况见表l所示(上接第175页)模糊控制器的输入为流量控制参考值和压差测量值P.,输出为控制辅助阀的控制量u.和u:,可以看出,这和普通模糊控制器的输入输出量不同,不是被控制量的误差及误差变化.3结果及使用情况模糊补偿法如果能在纸厂使用.不仅简单实用,操作方便,而且不增加成本就可使控制精度比原来提高.必须注意,此方法仅适用处于正常的稳定的生产过程,不论是由于新生产线试运行,还是老生产线停后刚开等原因造成的非正常生产过
16、程期间,这种方法郁足不宜采用的.参考文献【1】宁铎.提高自动控制精度的有效方法手动阀补偿法J.应用技术,2001,22(4):4647【2】诸静.模糊控制原理与应用M.北京:机械工业出版社,l999.表1工序/电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA快进+工进+快退+停止+3结论用插装阀组成的油缸差动控制回路,具有下列优点:(1)可降低液阻和压力损失,利于提高系统的效率.(2)插装阀的启闭灵敏,油缸的动作可靠.(3)插装阀的密封性好,利于在纯水工作介质中使用.(4)插装阀耐磨性好,使用寿命长,故障少,用其组成的系统工作可靠性高.所以,在设计大直径油缸,并要求实现较大快进速度的大流量系统中,应优先考
17、虑采用由插装阀组成的差动控制回路.参考文献【1】姜继海.液压与气雎传动M.北京:高等教育出版社,2002(8).【2】雷天觉.新编液压工程手册M.北京:北京理工大学出版社,1998.作者简介:候波,男,汉族,山东烟台人,副教授,1958年6月生,1982年1月毕业于合肥工业大学.现在安徽理工大学机械系从事教学和科研工作,发表论文多篇.电话:05546668829.Email:hsdengaust.edu.en.收稿时间:200410一l8【3】刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真M.北京:电子工业出版社,2003.【4】权龙,林廷圻,史维祥.电液比例流量控制新原理理论及实现J.农业机械,
18、1995,26(2):8387.【5】AntonioVisioli.AnewdesignforaPIDplusfeedforwardcontrollerJ.JournalofProcessControl,2004,14:457463.【6】K.J.Astmm,Hagglund.ThefutureofPIDcontrolJ.ControlEngineeringPractice,2001(9):11631175.【7】JamesCavajal,GuanrongChen,HalukOgmen.FuzzyPIDcontroller:Design,performanceevaluation,andstabilityanalysisJ.InformationSciences,2000,123:249270.作者简介:赵志刚(1975一),男,甘肃镇原人,上海交通大学博士生,兰州交通大学讲师,主要研究方向:机器人控制,复杂系统辨识.电话:02162932732,13162645439.Email:.收稿时间:20041119